馬晶 張志聰 蘭國威 周洪君 潘賢宇

哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，中國·黑龍江 哈爾濱 150080

1 引言

金屬切削過程中，切削狀態(tài)的實時監(jiān)測在控制切削過程、調(diào)整切削參數(shù)、檢測刀具磨損等方面發(fā)揮著重要的作用。通過切削力對切削狀態(tài)進行監(jiān)測是最直接、最有效的方式之一，目前切削力監(jiān)測多集中在車削和銑削中，鏜削力方面的研究較少。主要的切削力測量刀具包括：應(yīng)變式切削力測量刀具、壓電式切削力測量刀具、電容式切削力測量刀具和基于聲表面波原理的切削力測量刀具。但這些刀具大多都是在實驗開發(fā)階段，沒有實際應(yīng)用，一些商用化推出的測力刀柄、壓電式測力儀等價格昂貴，一般生產(chǎn)企業(yè)很難承受。因此提出一種適用于企業(yè)生產(chǎn)、價格經(jīng)濟、操作簡單的切削力智能感知刀具需求強烈。

2 技術(shù)路線

2.1 應(yīng)變式感知單元結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

進行感知單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，著重對彈性體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計（如圖1所示），減小傳感器傳遞誤差，簡化后續(xù)電路設(shè)計等問題，設(shè)計完成后對感知單元進行受力分析，并分析數(shù)據(jù)，多次進行模擬實驗優(yōu)化感知單元結(jié)構(gòu)，最終得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖1 應(yīng)變式感知單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 惠斯通電橋分析

傳感器的工作過程是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)來實現(xiàn)傳感器的測量[1,2]。金屬箔式應(yīng)變片相對于其他應(yīng)變片具有可以制成多種形狀復(fù)雜和尺寸準確的敏感柵，并且具有允許通過電流大、柔性好、耐疲勞壽命高、承受大變形能力強、橫向效應(yīng)小以及蠕變特性好等優(yōu)點，所以論文選用的傳感器采用金屬箔式應(yīng)變片作為敏感元件。應(yīng)變片一般由引線、基底以及敏感柵構(gòu)成，康銅箔敏感柵夾在兩張基底中間，敏感柵由較粗的銅引線與測量電路相連接。應(yīng)變片的主要性能是由金屬敏感柵決定的，這是因為應(yīng)變片是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)工作的，即在外力作用下敏感柵金屬絲發(fā)生的機械變形會導(dǎo)致敏感柵阻值產(chǎn)生相應(yīng)變化。一段長度為L，橫截面面積為A的金屬絲，其電阻R為：

若金屬絲在外力作用下長度變化ΔL，橫截面積變化ΔA，電阻率的變化為Δρ，則電阻的相對變化量為：

對于半徑為r的圓，，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識，金屬絲在彈性范圍內(nèi)，代入式(2)可得：

式中，ε是金屬絲的縱向應(yīng)變，通常用微應(yīng)變度量該數(shù)值；μ是金屬絲材料的泊松比，其大小通常介于0.3～0.5 之間；λ是金屬絲材料的壓阻系數(shù)；σ是應(yīng)變片金屬絲的應(yīng)力值；E是金屬材料的彈性模量。由于ε、μ、λ、σ、ω都是常數(shù)，所以可以引入常數(shù)K0，設(shè)K0=1 +2μ+Eλ。因此式（3）可表示為：

由式（4）可知，應(yīng)變片電阻的相對變化量僅與常數(shù)K0和應(yīng)變片電阻絲的縱向應(yīng)變ε有關(guān)。當縱向應(yīng)變ε一定時，常數(shù)K0越大，應(yīng)變片電阻的相對變化量越大，應(yīng)變片越靈敏；應(yīng)變片電阻的相對變化量與電阻絲的縱向應(yīng)變ε是成正比關(guān)系的，即：

式中，K 稱為電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。

在實際測量中為了提高該傳感器的靈敏度及線性度，應(yīng)變片的連接方式為電橋電路，將受力性質(zhì)相同的兩只應(yīng)變片接到電橋的對邊，鄰邊的兩只應(yīng)變片受力性質(zhì)不同，即R1=R4=R+ΔR,R2=R3=R-ΔR，如圖2所示。當?shù)都馐芰r，敏感柵受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變，敏感柵的電阻發(fā)生變化，惠斯通電橋失去原有平衡輸出電壓，傳感器輸出電壓與刀尖受力具有對應(yīng)關(guān)系，通過合理布置敏感柵可有效測出切削力大小[3,4]。

圖2 惠斯通電橋電路

電壓源電壓為Ui，電橋電路輸出為：

將R1=R4=R+ΔR,R2=R3=R-ΔR 代入式（6）可以得到：

將式（5）代入式（7）得：

式（8）表明由應(yīng)變片搭建的電橋電路輸出電壓U0與輸入電壓Ui、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K和應(yīng)變ε有關(guān)。當Ui和K都是常數(shù)時，電橋電路的輸出電壓與應(yīng)變ε成正比，從而實現(xiàn)了測量力的目的。

3 實驗驗證

為了驗證所設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的信號監(jiān)測性能，設(shè)計并開展了切削力監(jiān)測系統(tǒng)性能實驗研究，基于自制減振鏜桿搭建實驗平臺，選用Kistler 9139AA 臺式測力儀作為參考測力儀，將其固定在工作臺上，所采集到的力信號作為參考力。實驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 實驗現(xiàn)場

本次實驗分別通過靜力加載和沖擊加載來驗證該系統(tǒng)Fx和Fz方向切削力信號監(jiān)測功能的可行性，在進行靜力加載實驗時，將20kg 的砝碼加載到刀頭處，等待平穩(wěn)后得到兩個系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。然后將監(jiān)測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°后進行同樣的操作，分別得到刀桿在Fx和Fz方向受到的力。經(jīng)過處理后得到四個傳感器采集到的力信號與Kistler 測力儀采集的信號對比如圖4所示。加載平穩(wěn)時測力儀得到的力約為196N，F(xiàn)x方向監(jiān)測系統(tǒng)最大值為214N，最大誤差為9.18%，F(xiàn)z方向監(jiān)測系統(tǒng)最大值為212N，最大誤差為8.16%。從圖4中可以看出相對于Kistler 測力儀得到的數(shù)據(jù)而言，監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)變化存在波動，主要表現(xiàn)在剛加載時監(jiān)測系統(tǒng)收到一定的沖擊力導(dǎo)致測量結(jié)果增大[5]，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后測量誤差減小，但這個過程需要一定的恢復(fù)時間。

圖4 靜力加載實驗結(jié)果

為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)收到?jīng)_擊后的動態(tài)性能，在此采用沖擊加載的方式進行對比，待兩個系統(tǒng)穩(wěn)定后在鏜桿的刀頭處施加一個沖擊力，經(jīng)過處理后的Fx和Fz方向傳感器受到的力與Kistler 測力儀得到的對比圖像如圖5所示。根據(jù)波形圖可以看出給鏜桿施加單次沖擊后監(jiān)測系統(tǒng)能夠保持與Kistler測力儀保持很好地測量趨勢，Kistler 測力儀測得Fx方向尖端點最大值為269N，監(jiān)測系統(tǒng)測得的最大值為292N，最大誤差為8.55%；Fz方向Kistler 測力儀測得的最大值為272N，監(jiān)測系統(tǒng)測得的最大值為296N，最大誤差為8.82%。沖擊結(jié)束后監(jiān)測系統(tǒng)仍存在漂移現(xiàn)象。

圖5 沖擊加載實驗結(jié)果

從以上實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測系統(tǒng)和Kistler 測力儀的各向力測量結(jié)果有一定的差異，但差距不超過10%，變化趨勢基本一致。兩種傳感器的預(yù)緊狀態(tài)、安裝精度等多種因素都會影響測量結(jié)果，從實驗結(jié)果中可以看出，在完成一次加載監(jiān)測系統(tǒng)的力并沒有完全歸零，造成這種現(xiàn)象除了傳感器自身材料的原因外還包括傳感器存在信號漂移的現(xiàn)象。造成傳感器漂移的因素很多，在論文可能是因為監(jiān)測系統(tǒng)的感知結(jié)構(gòu)和裝配問題所決定的，因此會產(chǎn)生更多的不確定性和識別誤差，漂移問題也難以完全避免[6]。但本次實驗中二者之間的測量結(jié)果相差不大，表明監(jiān)測系統(tǒng)能夠可靠采集到的鏜桿所受切削力的信息，具有較好的應(yīng)用性能。

4 結(jié)語

論文針對目前鏜削加工中切削力測量存在的問題，提出了一種鏜削過程切削力監(jiān)測系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的安裝位置和所用傳感器的工作原理進行了介紹。然后對其功能進行了實驗驗證。根據(jù)實驗結(jié)果可以看出所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)與Kistler 測力儀采集到的數(shù)據(jù)基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)主要切削力的測量，且誤差控制在10%以內(nèi)，初步表明該系統(tǒng)測量性能的可行性。